一种自组装可调间隙的金纳米薄膜制备方法与流程

本发明涉及纳米金的自组装技术领域，具体涉及一种自组装金纳米薄膜的制备方法。

背景技术：

自组装是一种由简单到复杂、由无序到有序的自发过程。具体来说，整个过程是若干个体之间同时自发的发生关联并集合在一起形成一个紧密而又有序的整体，是一种整体的复杂的协同作用。在制备纳米薄膜的过程中，采用低真空溅射法，通过调节沉积环境压强进而改变溅射电流，且设定溅射时间，使得纳米颗粒在基底材料表面上会进行自组装形成有序的二维纳米薄膜。自组装技术简便易行，无须特殊装置，制备重现性好，并且在实验过程中基本不受人为因素的影响，因而，近年来受到广泛的重视。

金纳米颗粒有着独特的物理化学性能，包括高电子密度、介电特性、光学特性和催化作用，使其成为纳米材料领域中研究的热点之一。金纳米颗粒的价带和导带是分开的，并且会产生量子尺寸效应，这与块状金是不同的。这些特殊的光学和电子特性在晶体管，光控开关等方面应用。因此金纳米颗粒沉积而成的薄膜的性能也多种多样，像电学光学磁学力学超导以及催化性能。尤其是，金纳米薄膜能与多种生物大分子结合，且不影响其生物活性等优异特性。它也因为具有生物亲和性再加上其表面等离子体共振吸收的性质，因而得到了广泛的应用，并发挥着越来越重要的作用。但是，现有技术制备的纳米金盘均匀性不好，存在成分不易控制，缺陷较多，杂质污染等问题。

技术实现要素：

针对目前现有技术存在的问题和不足，本发明通过低真空溅射的方法，提供了一种纳米自组装可调间隙纳米金盘的制备工艺，通过控制溅射距离、溅射时间，在透明硅质材料基底上沉积金纳米颗粒自组装而成纳米盘，金纳米颗粒之间存在间隙，可调节颗粒之间的间隙来达到需求。

本发明实现自组装可调间隙的金纳米薄膜的方法基于以下原理：

气体在数百伏的直流电压下产生辉光放电并产生溅射粒子，其轰击金靶材，使金靶材表面原子飞出，并带有一定的动能，在经过碰撞减速、成核，生成纳米金颗粒并沿着一定的方向射向衬底，以不同的间隙沉积到石英衬底上形成薄膜。

本发明采用的技术方案是：

一种自组装可调间隙的金纳米薄膜的制备方法，包括以下步骤：

1)清洗基底并干燥；

2)对基底进行预处理：用等离子体清洗机对基底进行等离子体表面处理改性；

3)以金属au作为溅射靶材，将其安装在低真空溅射设备的直流靶上，将步骤2)预处理后的基底安装在低真空溅射设备的样品台上，控制真空度小于等于10pa，以氧气为工作气体，调整靶材与基底距离为3-7cm，放电电流为5～10ma，在经过一段溅射时间完成金纳米薄膜的制备。

上述步骤1)中，所述基底首选为透明硅质材料石英片，也可以采用蓝宝石(al2o3)、硅(si)、碳化硅(sic)等其他材料作为基底。将基底依次放入含洗洁精的去离子水混合液、异丙醇、丙酮中进行超声清洗，其间每次更换清洗溶液时都用去离子水冲洗并干燥基底，最后将其干燥后保存。

上述步骤2)预处理基底时，等离子体清洗机用真空泵实现一定的真空度，受电场作用，气体分子发生碰撞而形成活性很高的等离子体，其能量破坏基底表面几乎所有的化学键，对基底表面完成表面处理及改性，提高表面的润湿性能，改善膜的黏着力，使得后续溅射时纳米金颗粒能牢固结合到基底表面。可以根据需要的金盘(金纳米薄膜)形状用聚二甲基硅氧烷(pdms)盖住基底多余的位置，仅在基底暴露的表面进行等离子体处理改性，并完成纳米金颗粒的溅射沉积。所述等离子体清洗机的真空度优选控制在90～110pa，工作气体为氧气，工作功率50～100w，清洗频率50～150hz。

上述步骤3)中，优选的，控制真空度达到目标压强4～6pa，放电电流5～10ma，沉积速率30～35nm/min，溅射时间为10～60s，获得所需金纳米薄膜。

上述步骤3)获得的自组装金纳米薄膜的厚度和颗粒间隙与溅射时间、溅射距离(金靶和基底之间的距离)、溅射压强(真空度)存在联系，可以通过控制溅射时间、溅射距离、溅射压强来调整金纳米薄膜的厚度和薄膜中金纳米颗粒间的间隙。例如：当其他条件一致时，通过增加溅射时间来增大金纳米薄膜的厚度，减小金纳米颗粒间的间隙；当其他条件一致时，通过增大金靶和基底之间的距离可以降低金纳米薄膜的厚度，增大金纳米颗粒间的间隙；而当溅射压强约5pa，对应放电电流约10ma时，所得金纳米薄膜的厚度较大，金纳米颗粒间的间隙较小。

本发明所提供的自组装可调间隙金纳米薄膜的制备方法工艺简单，过程易操控，成本低廉，沉积速率快，结合力强，提高了市场化生产应用价值，能够实现大规模商业生产，节省了制备成本。

本发明制备纳米金盘方法的特点在于：基底优选透明硅质材料，并使用等离子体清洗机对基底表面完成表面处理与改性过程，在整片基底上完成纳米金颗粒的均匀沉积。

本发明制备纳米金盘方法的特点还在于，可以使用等离子体清洗机对基底表面完成部分表面处理与改性过程，设计出所需要的某一特定形状，在该形状上完成纳米金颗粒的均匀沉积，为与其他材料结合应用奠定了基础。

本发明制备纳米金盘方法的特点还在于，通过调节沉积环境压强进而改变溅射电流，且设定溅射时间与溅射距离，使得纳米颗粒在基底材料表面上会进行自组装形成有序的二维纳米薄膜，可自由调节纳米金颗粒的颗粒大小，颗粒之间的间隙及颗粒沉积堆叠而成薄膜的厚度，从而操纵制备金盘的结构及性能。

通过本发明所提供的自组装可调间隙金纳米薄膜的制备方法，所制备的纳米金盘表面平整且厚度均匀，其颗粒也达到了纳米量级，具有良好的导电导热性，优异的光学和催化特性以及生物相容性，稳定性高，重复性好，有很好的市场化前景。

本发明所提供的自组装可调间隙金纳米薄膜的制备方法，所制备的纳米金盘由于间隙可调，可插入不同尺寸、不同数量的量子点，为制备高灵敏高分辨的传感器件奠定了基础，并因具有金纳米颗粒的表面等离子体共振特性，该纳米金盘还可以被应用于具有偏振吸收效果的偏振器件中。

附图说明

图1为实施例制备的纳米金盘的实物图。

图2为实施例制备的自组装可调间隙纳米金盘的拉曼光谱。

图3为实施例制备的自组装可调间隙纳米金盘的原子力显微镜图。

图4为实施例制备的自组装可调间隙纳米金盘的扫描电子显微镜图。

具体实施方式

下面以具体实施例详细描述本发明的自组装可调间隙的纳米金盘的制备方法。

本发明所涉及的药品均可在市场上购买到的分析纯级别的试剂。

实施例1：自组装可调间隙纳米金盘的制备过程

a)基底清洗

选用透明硅质材料石英片作为基底并进行清洗，先将基底石英片依次放入洗洁精/去离子水混合液、异丙醇、丙酮中超声清洗5min，每次从清洗液中取出均用等离子水冲洗和惰性气体吹干，确保基底石英片表面洁净无杂质，其中超声清洗的功率为150w，超声频率为40khz。

b)基底预处理

将清洗干燥后的基底石英片放入等离子体清洗机，需要表面处理的一面朝上，抽真空2min，腔室内压强达到10pa，工作功率50w，清洗频率50hz，残留氧分子被电离成氧离子，等离子体表面处理1min，取出处理后的基底。

也可根据需要在基底石英片上设计金盘形状，首先用pdms盖住基底上多余的位置，基底放入等离子体清洗机并盖有pdms的一面朝上，进行等离子体表面处理，取出处理过后的基底石英片。

c)溅射沉积

c1.选用金属au作为溅射靶材，纯度为99.999％，并将其安装在低真空溅射设备的直流靶上；

c2.将步骤b)中用等离子体清洗机处理完表面的石英片基底安装在低真空溅射设备的镀膜室顶部的样品台上，调整基底与金靶的距离为4cm；

c3.保证整个镀膜室具有良好的密封性；

c4.设定好金纳米颗粒的溅射时间，以10s为间隔，首次金盘的制备时间设定为10s；

c5.对镀膜室开始抽真空，观察真空表中压强的变化，抽至真空度小于2pa且不再发生变化；

c6.打开控制面板上的针阀，氧气进入，使镀膜室的真空度达到5pa的目标压强；

c7.金纳米薄膜沉积开始，溅射电流会逐渐缓慢变小，但范围会稳定在7-10ma左右，整个过程会看到蓝色的等离子体辉光放电现象；

c8.达到设定的镀膜时间后，溅射停止，纳米金盘完成制备。

实施例2

本实施例中步骤c)溅射时间为20s，30s，40s，50s，60s，其他实施条件和实施例1相同，相应制得的自组装纳米金盘厚度分别是8.1nm，11.8nm，17.0nm，24.6nm，35nm，颗粒间隙分别26-36nm，19-25nm，13-18nm，8-12nm，3-7nm，自组装纳米金盘厚度和颗粒间隙与溅射时间存在联系，溅射时间越长，纳米金膜的厚度越大，颗粒间的间隙越小。

实施例3

本实施例中步骤c)金靶与基底石英片距离为3cm，4cm，5cm，6cm，7cm，其他实施条件和实施例1相同，相应制得的自组装纳米金盘厚度分别是7.5nm，6.8nm，5.6nm，4.3nm，2.7nm，颗粒间隙分别28-30nm，31-33nm，34-37nm，38-42nm，42-47nm，自组装纳米金盘厚度和颗粒间隙与金靶和基底石英片之间的距离存在联系，金靶和基底石英片之间的距离越大，纳米金膜的厚度越小，颗粒间的间隙越大。

实施例4

本实施例中步骤c)溅射过程的真空度为4pa，5pa，6pa，其他实施条件和实施例1相同，相应制得的自组装纳米金盘厚度分别是3.6nm，4.5nm，4.1nm，颗粒间隙分别是36-40nm，26-36nm，35-39nm，自组装纳米金盘厚度和颗粒间隙与溅射压强存在联系，真空度～5pa，即对应放电电流～10ma时，纳米金盘的厚度最大，颗粒间的间隙最小。

对纳米自组装可调间隙的金盘进行拉曼光谱检测，原子力显微镜和扫描电子显微镜表征测试，分别如图2，3，4所示，本发明通过低真空溅射法在石英片基底上沉积的金盘表面连续性良好且均匀，平整度较好，并且确定纳米金盘的厚度为纳米量级，表明自组装可调间隙的纳米金盘完全能够满足制备器件的要求。

大量实验数据表明，使用低真空溅射法在基底上制备的自组装可调间隙的纳米金盘，经过优化得到的优化条件为溅射时间为40s，溅射压强为～5pa，放电电流～10ma，溅射距离为4nm时，此时制得的自组装可调间隙的纳米金盘具有较高的灵敏度，分辨率及生物相容性，可用作传感层，且其质量满足制备传感器的要求；经过优化得到的优化条件为溅射时间为60s，溅射压强为～5pa，放电电流～10ma，溅射距离为3nm时，此时制得的自组装可调间隙的纳米金盘具有良好的金纳米颗粒表面等离子体共振特性，为光学偏振器等器件的制备及优化提供了良好的吸光材料基础。